KR102486158B1 - A/d 변환기 및 이를 포함하는 전력변환 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 발명은 A/D 변환기 및 이를 포함하는 전력변환 장치에 관한 것으로서, 전력변환 장치는 인덕터 전류와 커패시터 양단 전압에 대한 아날로그 센싱 신호를 제어부로 전달하고, 제어부로부터 전달되는 펄스폭 변조 신호로 전력반도체를 구동시켜 전력 변환을 수행하는 파워부; 및 아날로그 센싱 신호를 디지털 형태로 변환하고, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 파워부로 전달하는 제어부;를 포함할 수 있다.
Description
A/D 변환기 및 이를 포함하는 전력변환 장치에 관한 것이다.
DC-DC 컨버터의 출력밀도 향상 등에 따른 사이즈 저감을 위해 고속 스위칭에 대한 요구가 있어, 이에 대응할 수 있도록 SiC, GaN과 같은 전력반도체가 개발되었다. 그러나, 마이컴을 이용한 디지털 제어에 있어 리소스 사용 한계에 따른 스위칭 주파수 상향에 제약이 있다.
이를 해결하기 위해 FPGA(Field Programmable gate array)를 사용하여 고속의 펄스폭 변조(PWM) 신호를 생성할 수 있다. FPGA는 마이컴과 비교하여 병렬 처리가 가능하여 동시 다발적인 고속 수행 작업에 용이할 수 있다.
그러나, FPGA가 산업계에서 성장하고 있는 단계라서 범용 제어가 가능한 마이컴 대비 가격적인 장점을 확보하고 있지 못한 상황이다. FPGA의 로직블럭의 규모에 비례하여 원가가 상승함을 고려할 때 한정된 로직 블록으로 요구하는 제어 성능을 만족할 수 있도록 효율적인 리소스를 사용할 수 있는 방안이 요구되게 되었다.
개시된 실시예는 로직블록 사용 효율을 향상시키기 위한 아날로그 디지털 변환 방법을 적용한 A/D 변환기 및 이를 포함하는 전력변환 장치를 제공하고자 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 일 측면에 따른 전력변환 장치는 인덕터 전류와 커패시터 양단 전압에 대한 아날로그 센싱 신호를 제어부로 전달하고, 상기 제어부로부터 전달되는 펄스폭 변조 신호로 전력반도체를 구동시켜 전력 변환을 수행하는 파워부; 및 상기 아날로그 센싱 신호를 디지털 형태로 변환하고, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 파워부로 전달하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 아날로그 센싱 신호를 델타 시그마 변조 방식을 통해 디지털 형태로 변환하는 A/D 변환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 A/D 변환기는, 상기 아날로그 센싱 신호를 디지털 센싱 신호로 변환하되, 아날로그 입력신호와 변조신호의 차인 델타와 이를 적분하는 시그마 신호를 통해 입력신호를 1 비트 신호로 변환하는 델타 시그마 변조부; 및 변환된 상기 1 비트 신호를 디지털 필터로 평활하는 디지털 필터부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는 CIC(Cascaded Integrator Comb) 필터일 수 있다.
또한, 상기 델타 시그마 변조부는, 저항(resistor)와 커패시터를 이용하여 구현되는 가산기 및 적분기를 포함하는 아날로그 회로; 상기 아날로그 회로로부터 전달되는 신호를 1 비트 신호로 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 전달되는 상기 1 비트 신호를 오버 샘플링하는 양자화기; 및 상기 오버 샘플링된 값을 RC 필터링하여 델타 시그마 입력으로 피드백하는 출력포트; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아날로그 회로는, 상기 아날로그 입력신호를 수신하는 제1 저항(resistor), 상기 제1 저항(resistor)와 일단이 연결된 커패시터 및 상기 제1 저항(resistor)와 상기 커패시터 사이에 일단이 연결된 제2 저항(resistor)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 비교기는, 상기 커패시터의 일단과 비반전 입력단이 연결되는 LVDS(Low voltage differential signaling) 단자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양자화기는, 상기 LVDS 단자의 출력단과 연결되는 입력단, 상기 디지털 필터부와 연결되는 제1 출력단 및 상기 출력포트를 통해 제2 저항(resistor)의 타단과 연결되는 제2 출력단을 포함하는 D(Delay) 플립플롭;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부가 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현되는 경우, 상기 아날로그 회로는 상기 FPGA 외부에 구현되고, 상기 비교기, 상기 양자화기, 상기 출력포트 및 상기 디지털 필터부는 상기 FPGA 내부에 구현될 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는, 기 설정된 개수의 적분기 출력을 선택적으로 공용 콤(Comb) 필터의 입력으로 순차 제공하는 적분 스테이지, 및 상기 적분 스테이지의 데시메이션(Decimation) 비와 연동한 콤 유효 신호(Comb Valid Signal)를 생성하여 신호 발생 시 상기 적분 스테이지의 출력에 대한 기 설정된 기준에 따른 선택적 입력을 적용하여 최종 출력을 수행하는 콤(Comb) 스테이지를 포함하여, 기 설정된 차수의 필터로 구성될 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는, 상기 적분 스테이지 및 상기 콤 스테이지의 입출력을 저장하는 램(RAM)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 램은, 상기 적분 스테이지의 출력을 유효 신호(Valid Signal)에 의해 기 설정된 기준에 따라 선택적으로 해당 어드레스에 저장할 수 있다.
일 측면에 따른 A/D 변환기는, 아날로그 센싱 신호를 디지털 센싱 신호로 변환하되, 아날로그 입력신호와 변조신호의 차인 델타와 이를 적분하는 시그마 신호를 통해 입력신호를 1 비트 신호로 변환하는 델타 시그마 변조부; 및 변환된 상기 1 비트 신호를 디지털 필터로 평활하는 디지털 필터부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는 CIC(Cascaded Integrator Comb) 필터일 수 있다.
또한, 상기 델타 시그마 변조부는, 저항(resistor)와 커패시터를 이용하여 구현되는 가산기 및 적분기를 포함하는 아날로그 회로; 상기 아날로그 회로로부터 전달되는 신호를 1 비트 신호로 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 전달되는 1 비트 신호를 오버 샘플링하는 양자화기; 및 상기 오버 샘플링된 값을 RC 필터링하여 델타 시그마 입력으로 피드백하는 출력포트;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 A/D 변환기가 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현되는 경우, 상기 아날로그 회로는 FPGA 외부에 구현되고, 상기 비교기, 상기 양자화기, 상기 출력포트 및 상기 디지털 필터부는 상기 FPGA 내부에 구현될 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는, 기 설정된 개수의 적분기 출력을 선택적으로 공용 콤(Comb) 필터의 입력으로 순차 제공하는 적분 스테이지, 및 상기 적분 스테이지의 데시메이션(Decimation) 비와 연동한 콤 유효 신호(Comb Valid Signal)을 생성하여 신호 발생 시 상기 적분 스테이지의 출력에 대한 기 설정된 기준에 따른 선택적 입력을 적용하여 최종 출력을 수행하는 콤(Comb) 스테이지를 포함하여, 기 설정된 차수의 필터로 구성될 수 있다.
또한, 상기 디지털 필터부는, 상기 적분 스테이지 및 상기 콤 스테이지의 입출력을 저장하는 램(RAM)을 포함할 수 있다.
전술한 과제 해결 수단에 의하면, FPGA에서 아날로그 디지털 변환 시 FPGA 리소스 사용률을 저감할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 전력변환 장치의 구성을 상세하게 나타내는 제어 블록도이다.
도 2는 도 1의 A/D 변환기의 구성을 상세하게 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 디지털 필터부의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 4는 단일 CIC 필터 구조를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7 및 도 8은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 A/D 변환기의 구성을 상세하게 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 디지털 필터부의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 4는 단일 CIC 필터 구조를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7 및 도 8은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 전력변환 장치의 구성을 상세하게 나타내는 제어 블록도이다.
도 1을 참고하면, 전력변환 장치(100)는 파워부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.
도시하지 않았지만, 파워부(200)는 인덕터, 커패시터, FET(field effect transistor) 및 게이트 드라이버를 포함하여, 인덕터 전류와 커패시터 양단 전압에 대한 아날로그 센싱 신호를 제어부(300)로 전달하고, 제어부(300)로부터 전달되는 펄스폭 변조 신호로 전력반도체를 구동시켜 전력 변환을 수행할 수 있다.
제어부(300)는 파워부(200)로부터 전달되는 아날로그 센싱 신호를 디지털 형태로 변환하고, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 파워부(200)로 전달할 수 있다.
도시하는 바와 같이, 제어부(300)는 A/D 변환기(310), PI 제어부(330) 및 PWM 생성부(350)를 포함할 수 있다.
A/D 변환기(310)는 아날로그 센싱 신호를 델타 시그마 변조 방식을 통해 디지털 형태로 변환할 수 있다.
제어부(300)는 A/D 변환기(310)에서 디지털 형태로 변환된 센싱 정보를 PI 제어부(330) 및 PWM 생성부(350)를 통해 제어부의 입력으로 하여 제어부의 출력의 듀티가 되도록 한다. 이때, 듀티는 펄스폭 변조(PWM) 타입의 신호에서 한 사이클(주기)에서 온 타임만큼 나눈 값으로 정의될 수 있다. 펄스폭 변조 신호는 파워부(200)의 전력반도체인 FET를 구동시켜 최종적으로 전력 변환되어 전력변환 장치 출력으로 요구 전압 또는 전류를 생성하게 되는 것이다.
상술한 A/D 변환기(310), PI 제어부(330) 및 PWM 생성부(350)는 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현될 수 있으나, A/D 변환기(310)의 일부 구성은 FPGA 내부가 아닌 외부에 구현될 수 있으며, 이에 대한 상세 설명은 후술하기로 한다.
도 1을 참고하면, A/D 변환기(310)는 아날로그 센싱 신호를 디지털 센싱 신호로 변환하되, 아날로그 입력신호와 변조신호의 차인 델타(Δ)와 이를 적분하는 시그마(∑) 신호를 통해 입력신호를 1 비트 신호로 변환하는 델타 시그마 변조부(311) 및 변환된 상기 1 비트 신호를 디지털 필터로 평활하는 디지털 필터부(313)를 포함할 수 있다. 상기 디지털 필터부(313)는 CIC(Cascaded Integrator Comb) 필터일 수 있다.
상술한 전력변환 장치(100)는 DC-DC 컨버터일 수 있다.
도 2는 도 1의 A/D 변환기의 구성을 상세하게 나타내는 회로도이다.
도 2를 참고하면, 델타 시그마 변조부(도 1의 311, 도 2의 A)는 저항(resistor)(R)와 커패시터(C)를 이용하여 구현되는 가산기 및 적분기를 포함하는 아날로그 회로(도 2의 Analog circuit), 아날로그 회로로부터 전달되는 신호를 1 비트 신호로 출력하는 비교기(LVDS), 비교기로부터 전달되는 상기 1 비트 신호를 오버 샘플링하는 양자화기(Quantizer) 및 오버 샘플링된 값을 RC 필터링하여 델타 시그마 입력으로 피드백하는 출력포트(Out port)를 포함할 수 있다.
아날로그 회로(Analog circuit)는 아날로그 입력신호를 수신(input)하는 제1 저항(resistor)(R1), 상기 제1 저항(resistor)(R1)와 일단이 연결된 커패시터(C) 및 상기 제1 저항(resistor)(R1)와 상기 커패시터(C) 사이에 일단이 연결된 제2 저항(resistor)(R2)를 포함할 수 있다.
비교기는 커패시터(C)의 일단과 비반전 입력단이 연결되는 LVDS(Low voltage differential signaling, LVDS) 단자를 포함할 수 있다.
양자화기(Quantizer)는 LVDS 단자의 출력단과 연결되는 입력단, 상기 디지털 필터부(도 1의 313, 도 2의 CIC filter)와 연결되는 제1 출력단 및 출력포트(Out port)를 통해 제2 저항(resistor)(R2)의 타단과 연결되는 제2 출력단을 포함하는 D(Delay) 플립플롭을 포함할 수 있다.
제어부(도 1의 300)가 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현되는 경우, 도 2의 아날로그 회로는 상기 FPGA 외부에 구현되고, 상기 비교기, 상기 양자화기, 상기 출력포트 및 상기 디지털 필터부는 상기 FPGA 내부에 구현될 수 있다.
즉, 개시된 발명은 FPGA 외부에는 간단한 아날로그 회로(R, C)를 구성하여 가산기 및 적분기를 구성하고, FPGA 내부 자원을 사용하여 비교기 및 디지털 필터부를 구성하여 델타 시그마 변조기법을 구현하는 것이다.
제어부(300)는 FPGA 내부뿐만 아니라 외부에 아날로그 회로를 구성하여 리소스 사용을 배분한 것이다. FPGA 내부 LVDS 단자와 D 플립플롭의 오버 샘플링(아날로그 신호 주파수 대비 수십 ~ 수백 배)된 1 비트(bit) 신호 출력값을 CIC 필터를 통해 다운 샘플링하는 것이다. 제어부(300)는 CIC 필터를 제외하고는 델타 시그마 변조 시 하나의 레지스터(registor)만 사용하기 때문에 상용 IP 사용 대비 리소스를 저감할 수 있는 것이다.
도 3은 도 2의 디지털 필터부의 구성을 상세하게 나타내는 도면이고, 도 4는 단일 CIC 필터 구조를 나타내는 도면이며, 도 5 내지 도 6은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 예시도이다.
개시된 발명에서는 디지털 필터부(도 1의 313)를 CIC(Cascaded Integrator Comb) 필터일 수 있다. CIC 필터는 FIR 필터 대비 모든 계수가 1로 표현되어, 계수에 대한 곱셈 연산이 생략될 수 있기 때문에, 리소스에 대한 경제적인 구현이 가능하다는 효과를 기대할 수 있다.
도 3을 참고하면, 디지털 필터부(313)는 상술한 오버 샘플링된 주파수를 저감하기 위해 LPF(low pass filter)를 거쳐 높은 주파수 신호를 제거하고 샘플링 레이트(sampling rate)를 낮출 수 있다.
도 3을 참고하면, 디지털 필터부(313)는 기 설정된 개수의 적분기 출력을 선택적으로 공용 콤(Comb) 필터의 입력으로 순차 제공하는 적분 스테이지(cic 0, cic 1, cic N) 및 상기 적분 스테이지의 데시메이션(Decimation) 비와 연동한 콤 유효 신호(Comb Valid Signal)를 생성하여 신호 발생 시 상기 적분 스테이지의 출력에 대한 기 설정된 기준에 따른 선택적 입력을 적용하여 최종 출력을 수행하는 콤(Comb) 스테이지(Comb)를 포함하여, 기 설정된 차수의 필터로 구성될 수 있다.
디지털 필터부(313)의 동작 원리는 고주파 신호(fs) -> h(z) -> ↓R -> 저주파수 신호(fs/R)일 수 있다. 이때, h(z)는 CIC 필터의 전달함수이며, R은 데시메이션(decimation) 비일 수 있다.
CIC 필터의 전달함수 h(z)는 수학식 1과 같을 수 있다.
[수학식 1]
CIC 필터의 전달함수 h(z)는 수학식 1과 같이 분모의 N개의 적분 스테이지와 분자의 N개의 콤 스테이지로 나타낼 수 있다. 데시메이션 비인 R만큼 샘플링 주파수가 감소할 수 있다. 상기 N은 필터 차수, M은 콤 스테이지의 지연을 의미하는 것으로서, 1 또는 2의 값을 사용할 수 있다.
도 4를 참고하면, 단일 CIC 필터 구조는 적분 스테이지(I)와 콤 스테이지(C)를 포함할 수 있다. 이때, N은 D/R 일 수 있다. 상기 R은 데시메이션 비(decimation ratio), D는 지연(delay)을 의미할 수 있다.
디지털 필터부(313)를 통해 원신호 fs(Original Signal)가 신호 fs/R(Decimated Signal)로 샘플 레이트가 감소할 수 있다.
도 3의 콤(comb) 스테이지의 동작 타이밍은 도 5와 같을 수 있다.
디지털 필터부(313)는 적분 스테이지 및 콤 스테이지의 입출력을 저장하는 램(RAM)을 포함할 수 있다.
램은 적분 스테이지의 출력을 유효 신호(Valid Signal)에 의해 기 설정된 기준에 따라 선택적으로 해당 어드레스에 저장할 수 있다.
N차 CIC 필터 사용 시 데시메이션을 활용하여 콤(comb) 필터는 어드레스 입력 내장 램을 공용으로 사용할 수 있다.
도 3을 참고하면, N개의 적분기 출력을 선택적으로 공용 콤필터의 입력으로 순차적으로 사용이 가능할 수 있는 것이다. 적분기와 같은 수의 스테이지만큼 콤이 동작해야 하지만, 콤이 동작하는 샘플링 레이트가 다운되었기 때문에 상대적으로 여유가 있기 때문이다. 도 5를 참고하면, 콤 스테이지는 데시메이션 비와 연동함 콤 유효 신호(comb valid signal)(v_comb 0, 1, 2)를 생성하여 신호 발생 시 적분 스테이지의 출력에 대한 선택적인 입력을 취하여 최종적으로 콤 스테이지의 출력(d_out)을 하는 것이다.
상술한 A/D 변환기(310)에 따른 시뮬레이션 결과는 도 6과 같을 수 있다.
도 6에서 IP는 FPGA에서 A/D 변환 시 ADC IP를 적용한 경우를 의미하고, 제안은 개시된 발명에 의한 델타 시그마 기법과 CIC 필터를 적용한 경우를 의미하는 것이다.
상술한 제어부(300)는 전력변환 장치(100) 내 구성요소들의 동작을 제어하기 위한 알고리즘 또는 알고리즘을 재현한 프로그램에 대한 데이터를 저장하는 메모리(미도시), 및 메모리에 저장된 데이터를 이용하여 전술한 동작을 수행하는 프로세서(미도시)로 구현될 수 있다. 이때, 메모리와 프로세서는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 또는, 메모리와 프로세서는 단일 칩으로 구현될 수도 있다.
도 7 및 도 8은 전력변환 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 FPGA에서 델타 시그마 변조를 이용한 A/D 변환 과정을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 7을 참고하면, 전력변환 장치의 제어부(300)는 파워부(200)로부터 전송되는 아날로그 입력신호(Vin)를 수신할 수 있다(410).
다음, 제어부(300)는 아날로그 입력신호와 변조신호(DAC(Vc))를 비교하여 1 비트 신호로 출력할 수 있다(420).
다음, 제어부(300)는 상기 1 비트 신호를 오버 샘플링하여 출력(ADC 1 bit)할 수 있다(430).
다음, 제어부(300)는 상기 오버 샘플링된 1 비트 신호를 다운 샘플링하여, A/D 변환을 완료할 수 있다(440).
도시하지 않았지만, 단계 420에서 오버 샘플링된 신호는 RC 필터링(DAC)하여 델타 시그마 입력(단계 420)으로 피드백될 수 있다.
도 8을 참고하면, 도 7의 단계 440의 다운 샘플링하는 것은 다음과 같을 수 있다.
도 8은 FPGA에서 CIC 필터를 구현하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 8을 참고하면, 전력변환 장치의 제어부(300)는 상기 1비트 신호(ADC 1 bit 신호)를 입력 받고(511), CIC 필터 0차 적분 스테이지에 입력할 수 있다(513).
다음, 제어부(300)는 CIC 필터 내 O차 내지 기 설정된 차수(N)까지 순차적으로 적분 스테이지 출력((a), (b), (n))을 수행할 수 있다((515 ~ 519). 상술한 단계 511 내지 단계 519는 N차 CIC 필터 개념을 의미할 수 있다.
한편, 단계 521 내지 529의 절차와 같이, 제어부(300)는 N개의 센싱신호의 A/D 변환을 위해 CIC_0 ~ CIC_N의 CIC 필터가 있을 때, 각 신호의 적분 스테이지 출력값을 유효 신호(Valid Signal)에 의해 선택적으로 콤 필터로 입력시킬 수 있다(도 3 참조).
다음, 제어부(300)는 데시메이션(decimation) 및 유효 신호를 생성할 수 있다(531).
다음, 제어부(300)는 콤 스테이지(comb stage) 입력으로 적분 스테이지 출력을 기 설정된 기준에 따라 선택적으로 입력((a) 또는 (b) 또는 ... ,(n))받을 수 있다(533).
다음, 제어부(300)는 CIC 필터 내 O차 내지 기 설정된 차수(N)까지 순차적으로 콤 스테이지를 출력할 수 있다(535 ~ 539).
다음, 제어부(300)는 유효범위 내의 값을 사용하기 위해 포화기(saturator)를 적용할 수 있다(541). 이때, 단계 541은 필수 단계는 아니며, 생략 가능하다 할 것이다.
이때, 제어부(300)는 레지스터(registor) 대신 내장 RAM에 연산값을 저장하며, 적분 스테이지(stage) 대비 콤 스테이지가 R(decimation ratio) 만큼의 샘플링 레이트(sampling rate)가 감소하므로 매 주기(cycle)마다 동시 동작 시키는 것이 불필요하기 때문에, 동시 동작시키지 않는다. 상기 콤 스테이지는 차수에 따라 순차적으로 램을 공용 사용하는 것이다. 이때, 공용가능 수준은 약 R의 0.5배일 수 있다. 적분 스테이지의 출력은 유효 신호(valid signal)에 의해 선택적으로 램(RAM)의 해당 어드레스에 저장될 수 있다. 이때, 유효 신호는 데시메이션 비와 동기화 될 수 있다.
상술한 콤 스테이지는 유효 신호에 의해 선택적으로 입력을 취하고 연산을 처리함으로써 리소스 사용의 효율성을 증대시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 개시된 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있다. 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 프로그램 모듈을 생성하여 개시된 실시예들의 동작을 수행할 수 있다. 기록매체는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터에 의하여 해독될 수 있는 명령어가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
100 : 전력변환 장치
200 : 파워부
300 : 제어부
310 : A/D 변환기
330 : PI 제어부
350 : PWM 생성부
200 : 파워부
300 : 제어부
310 : A/D 변환기
330 : PI 제어부
350 : PWM 생성부
Claims (18)
- 인덕터 전류와 커패시터 양단 전압에 대한 아날로그 센싱 신호를 제어부로 전달하고, 상기 제어부로부터 전달되는 펄스폭 변조 신호로 전력반도체를 구동시켜 전력 변환을 수행하는 파워부; 및
상기 아날로그 센싱 신호를 디지털 형태로 변환하고, 펄스폭 변조 신호를 생성하여 상기 파워부로 전달하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 아날로그 센싱 신호를 디지털 센싱 신호로 변환하되, 아날로그 입력신호와 변조신호의 차인 델타와 이를 적분하는 시그마 신호를 통해 입력신호를 1 비트 신호로 변환하는 델타 시그마 변조부; 및 변환된 상기 1 비트 신호를 디지털 필터로 평활하는 디지털 필터부;를 포함하는 A/D 변환기를 포함하고,
상기 디지털 필터부는,
미리 정해진 개수의 적분기의 출력을 선택적으로 공용 콤(Comb) 필터의 입력으로 순차 제공하는 적분 스테이지, 상기 적분 스테이지의 데시메이션(Decimation) 비와 연동한 유효 신호(Valid Signal)를 생성하고, 상기 유효 신호에 의해 설정된 기준에 따라 상기 미리 정해진 개수의 적분기의 출력을 선택적으로 입력 받고, 최종 출력(d_out)을 제공하는 콤(Comb) 스테이지, 및 상기 미리 정해진 개수의 적분기의 출력을 유효 신호(Valid Signal)에 의해 설정된 기준에 따라 선택적으로 해당 어드레스에 저장하는 램(RAM)을 포함하는 전력변환 장치.
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- 제1항에 있어서,
상기 디지털 필터부는 CIC(Cascaded Integrator Comb) 필터인 전력변환 장치. - 제1항에 있어서,
상기 델타 시그마 변조부는,
저항(resistor)과 커패시터를 이용하여 구현되는 가산기 및 적분기를 포함하는 아날로그 회로;
상기 아날로그 회로로부터 전달되는 신호를 1 비트 신호로 출력하는 비교기;
상기 비교기로부터 전달되는 상기 1 비트 신호를 오버 샘플링하는 양자화기; 및
상기 오버 샘플링된 값을 RC 필터링하여 델타 시그마 입력으로 피드백하는 출력포트;
를 포함하는 전력변환 장치. - 제5항에 있어서,
상기 아날로그 회로는,
상기 아날로그 입력신호를 수신하는 제1 저항(resistor), 상기 제1 저항과 일단이 연결된 커패시터 및 상기 제1 저항과 상기 커패시터 사이에 일단이 연결된 제2 저항을 포함하는 전력변환 장치. - 제6항에 있어서,
상기 비교기는,
상기 커패시터의 일단과 비반전 입력단이 연결되는 LVDS(Low voltage differential signaling) 단자를 포함하는 전력변환 장치. - 제7항에 있어서,
상기 양자화기는,
상기 LVDS 단자의 출력단과 연결되는 입력단, 상기 디지털 필터부와 연결되는 제1 출력단 및 상기 출력포트를 통해 제2 저항의 타단과 연결되는 제2 출력단을 포함하는 D(Delay) 플립플롭;
을 포함하는 전력변환 장치. - 제5항에 있어서,
상기 제어부가 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현되는 경우,
상기 아날로그 회로는 상기 FPGA 외부에 구현되고, 상기 비교기, 상기 양자화기, 상기 출력포트 및 상기 디지털 필터부는 상기 FPGA 내부에 구현되는 전력변환 장치. - 삭제
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150180503A1 (en) * | 2012-08-21 | 2015-06-25 | Missing Link Electronics, Inc. | Configurable mixed-signal systems |
DE102016120129A1 (de) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | Infineon Technologies Austria Ag | Delta-Sigma-Modulation zur Leistungswandlersteuerung |
Family Cites Families (7)
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---|---|---|---|---|
US5590065A (en) * | 1994-08-10 | 1996-12-31 | Crystal Semiconductor Corporation | Digital decimation filter for delta sigma analog-to-digital conversion with reduced hardware compelexity |
US20110103593A1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-05-05 | Thirunathan Sutharsan | Method and System For a Pipelined Dual Audio Path Processing Audio Codec |
JP2012065038A (ja) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Japan Radio Co Ltd | Cicフィルタ |
WO2012088198A1 (en) * | 2010-12-20 | 2012-06-28 | California Institute Of Technology | Low-to-medium power single chip digital controlled dc-dc regulator for point-of-load applications |
US9231463B2 (en) * | 2012-08-06 | 2016-01-05 | Peter Oaklander | Noise resistant regulator including an encoded control signal |
US9621043B2 (en) * | 2015-08-31 | 2017-04-11 | Dialog Semiconductor (Uk) Limited | Versatile current sensor for switching regulator |
US9608598B1 (en) * | 2015-11-19 | 2017-03-28 | Cirrus Logic, Inc. | Cascaded integrator-comb filter as a non-integer sample rate converter |
-
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150180503A1 (en) * | 2012-08-21 | 2015-06-25 | Missing Link Electronics, Inc. | Configurable mixed-signal systems |
DE102016120129A1 (de) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | Infineon Technologies Austria Ag | Delta-Sigma-Modulation zur Leistungswandlersteuerung |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Lattice Semiconductor Corp.사의 Simple Sigma-Delta ADC 레퍼런스 디자인(2010.11.)* |
Also Published As
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